В плазме очень много тепла, но есть и то, чего нет ни в одном теплоносителе, — порядок. Сильное магнитное поле, в котором добывается плазма, вносит в ее движение порядок, причем необыкновенный: винтовой, или иначе — гиротропный.
Острый интерес к плазме в наши дни вызван многими причинами. Первая, конечно, заключается в том, что, как оказалось, плазма гораздо больше распространена в природе, чем это можно было бы предполагать. Почти вся Вселенная состоит из плазмы. Из плазмы состоят Солнце, горячие звезды, туманности, межзвездный газ.
Выяснилось, что с плазмой люди имели дело задолго до ее открытия.
Вода начинает испаряться еще до того, как достигает температуры своего кипения. И плазма образуется не обязательно при температуре 6 и выше тысяч градусов. Она возникает, например, под воздействием сильного облучения газа рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. Поместив газ в мощное электрическое поле, его также можно привести в состояние ионизации, частично обратить в плазму.
Слабо горит свеча. И все же ее пламя хоть в малой степени, но ионизировано. Это еще не настоящая плазма, но уже намек на нее. А вот ослепительный свет электрической дуга и мягкое свечение неоновой трубки прямо исходят от плазмы. Близко к настоящей плазме пламя сварочной горелки и форсунки дизеля, пламя в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Кратковременное плазменное состояние возникает в стволе орудия при выстреле. Вообще при всяком взрыве большой массы взрывчатого вещества происходит образование плазмы.
Плазма образует канал электрической искры и молнии. Ионизированные слои в атмосфере Земли состоят из плазмы. Полярное сияние есть не что иное, как свечение ионизированного газа, то есть тоже плазмы.
Юрий Гагарин совершил свой подвиг буквально в объятиях плазмы. Когда космический корабль «Восток», взметнувшись с площадки космодрома, с грохотом пробивал плотные слои атмосферы, сопла ракетного двигателя извергали плазму.
Плазма широко распространена повсюду, но, пожалуй, еще сильнее привлекает она внимание ученых своими возможностями для техники будущего.
Плазма — самое перспективное состояние вещества для преобразования тепла непосредственно в электричество. По-видимому, в безмашинных электростанциях будущего в движении будет находиться только плазма. Проходя между полюсами сверхмощных магнитов, потоки плазмы будут превращать энергию своего движения в энергию электрического тока.
Не за горами создание и космических кораблей с плазменными двигателями. С такими двигателями, выбрасывающими реактивную плазменную струю со скоростями в десятки или даже сотни тысяч километров в секунду, можно отправиться на исследование самых далеких планет Солнечной системы.
Весной 1965 года советские ученые провели первые успешные испытания плазменных двигателей в космических условиях — на борту космического корабля «Зонд-2».
Велики перспективы плазмы и в области управляемых термоядерных реакций. Академик Л. Н. Арцимович считает даже, что это важнейшая задача плазмы. Он писал:
«Физика плазмы не относится к магистральным направлениям науки, но тем не менее за последнее десятилетие она разрабатывается весьма интенсивно, так как с ней связаны надежды на решение задач исключительного перспективного значения. Первое место среди них занимает общеизвестная проблема управляемого термоядерного синтеза, решение которой должно полностью устранить угрозу энергетического голода на нашей планете».
Волшебный вкус квинтэссенции
Итак, четыре состояния вещества — твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Совсем, как древнегреческие четыре стихии — земля, вода, воздух, огонь. Как вновь и вновь не вспоминать знаменитые слова Ф. Энгельса о философии античной Греции: «В ней имеются в зародыше все позднейшие типы мировоззрения».
Человек правильно видит природу. Мы могли бы проиллюстрировать эту мысль и еще на одном примере: на учении Аристотеля о квинтэссенции.
Мы называем квинтэссенцией самое отборное, наилучшее; для нас это слово — синоним тончайшего и ценнейшего в предмете. Буквально здесь не так, но по существу совпадает со смыслом, вложенным в это слово его изобретателем.
Понятие «квинтэссенция», буквально «пятая сущность», было придумано в развитие Эмпедоклова учения о четырех стихиях. По Аристотелю, квинтэссенция — сущность, примиряющая противоречивые качества вещей. А ведь такая сущность действительно самое тонкое и важное в предмете: это следующий шаг, это новые поиски и находки. В квинтэссенции затаена идея прогресса: во все времена движение вперед начиналось с попыток примирить противоречия.
Есть своя квинтэссенция и в современных представлениях о различных состояниях вещества. Что же она примиряет?
Вот противоречие номер один: плотность и очень высокая температура. Не только у человека несведущего, но и у знающего физику легко (и обоснованно) может сложиться впечатление, что в общем-то эти свойства тел взаимно отталкиваются друг от друга. В практике людей максимальной плотностью обладают твердые тела. Если последние нагревать, то связи между молекулами (а потом и внутри них) станут ослабевать и вещество будет переходить во все менее плотные состояния.
Теоретические исследования внутреннего строения звезд, однако, показали, что высокие температуры прекрасно уживаются с высокими плотностями материи.
Существуют, например, так называемые белые карлики — слабо светящиеся, медленно угасающие звезды. Они невероятно плотны. 1 кубический сантиметр вещества такого небесного тела может весить тонны и даже около 100 тонн. Это во много раз плотнее вещества Солнца, 1 кубический сантиметр которого (в центре Солнца) весит всего 100 граммов.
Из-за своей огромной массы и сравнительно небольших размеров белый карлик обладает гравитационными полями (полями тяжести) в сотни тысяч и в миллионы раз большими, чем поле Земли. Поэтому поверхность такой звезды представляет собой почти идеальную сферу: горы на ней не могут быть выше нескольких миллиметров, а атмосфера — нескольких метров.
Огромная сила тяжести сжимает умирающую звезду, и та с последними вздохами своей жизни необычайно вдруг разогревается — до миллиардов градусов. Но это только ускоряет ее гибель. «Значительное повышение температуры в ее недрах до нескольких миллиардов градусов, — говорила по этому поводу профессор Алла Генриховна Масевич, — может привести к интенсивному образованию пар нейтрино — антинейтрино (элементарные частицы, свободно пронизывающие даже самые плотные небесные тела. — В. К.), которые, быстро уходя из звезды, уносят с собой большое количество энергии. В результате возможно практически „мгновенное“ охлаждение центрального ядра».
Совокупность высоких плотностей с большими температурами находится и у нас под ногами — в недрах нашей собственной планеты. Вулканический жар (возможно до 3000–4000 градусов) и давления, как полагают, превышающие 3000 тонн на квадратный сантиметр, — такова обстановка, отдаленная от нас примерно на 6370 километров. Это центр Земли. На реактивном самолете мы долетели бы до него за 7 часов, а чудес, с которыми там встретились бы, оказалось, пожалуй, побольше, чем на Луне.
Известный английский ученый профессор Артур Кларк (специалист по космосу и… морю, — бывает же такое сочетание! Сюда надо прибавить и умение писать прекрасные научно-фантастические романы) высказывает предположение, что в центре Земли может находиться что-нибудь такое, что мы захотим не только увидеть, но и потрогать. «Может быть, там есть вещества, столь плотные под влиянием сверхдавления, что обычные скальные породы для них менее плотны, чем для нас воздух», — говорит Кларк.
А ведь гранит только в 2000 раз плотнее воздуха, в то время как разрозненная материя в центре «карликов» в миллионы и даже в 10 миллионов раз плотнее гранита. В одном из своих произведений («Внутренние огни») Кларк писал о гипотетических существах из сверхуплотненной материи, которые могли бы плавать в недрах нашей Земли, как рыба в море. Правда, потом он сказал: «Надеюсь, что никто не воспринял эту идею серьезнее, чем я сам, — однако добавил: — Но эта фантазия может нас подготовить к тому, чтобы принять почти столь же поразительную и значительно более хитроумную действительность».